CN103263845B - 一种同时脱硫脱硝除汞装置 - Google Patents

Abstract

一种同时脱硫脱硝除汞装置，涉及一种用于燃煤电厂烟气的除汞装置。设有模拟烟气发生单元、等离子体氧化单元、活性炭吸附单元和烟气组分检测单元；模拟烟气发生单元、等离子体氧化单元、活性炭吸附单元和烟气组分检测单元的管路之间通过旋转阀门和Y型三通接头连接；模拟燃煤烟气发生单元设有N₂气瓶、CO₂气瓶、SO₂气瓶、O₂气瓶、NO₂气瓶、HCl气瓶、NO气瓶、质量流量控制器、Hg⁰渗透管和恒温水浴锅；恒温水浴锅内设有洗气瓶；所述等离子体氧化单元设有高压电源和等离子体反应器；等离子体反应器设有石英双介质层；活性炭吸附单元设有恒温烘箱和吸附反应器；检测单元设有烟气分析单元和Hg⁰分析单元。

Description

一种同时脱硫脱硝除汞装置

技术领域

本发明涉及用于燃煤电厂烟气的除汞装置，尤其是涉及一种同时脱硫脱硝除汞装置。

背景技术

NO_x的排放会对给自然环境和人类生产与活动带来严重危害，包括对人体的致毒作用、对植物的损害作用、形成酸雨或酸雾、与碳氢化合物形成光化学烟雾、破坏臭氧层等。我国以煤炭为主的能源结构导致氮氧化物排放总量高居不下，区域性大气污染日趋明显，酸雨类型已经从硫酸型向硫酸和硝酸复合型转化。据统计，1995年全国氮氧化物排放约1090万t，2000年全国氮氧化物排放总量已达1200万t左右，2004年增长到1860万t，年增长率在6%以上。预计到2020年NO_x排放量将达到2900万t左右，其中燃煤电厂排放量占40%。

大气环境中的SO2气体及其形成的酸沉降，是当今人类面临的重大环境问题之一，燃煤型的二氧化硫污染已成为我国大气污染的主要特征。由二氧化硫污染造成的酸雨面积占国土面积的30%，严重影响了自然环境和人体健康，每年造成的经济损失达150亿元。烟气脱硫被认为是控制SO₂污染最为行之有效的途径之一，探求技术上先进、经济上合理的烟气脱硫技术是现阶段环保领域广泛关注的焦点。

近10年来，自从有研究发现，北欧，北美内陆偏远地区无明显工业源的湖泊中，鱼体内的汞浓度的升高来自于大气中汞的长距离传输和沉降，有关汞的排放、迁移、沉降以及控制便成为大气污染防治的一个新兴研究领域。2002年美国政府的“净化天空”计划书已经把汞和SO₂、NO_x一道列为计划削减的大气污染物。2005年3月15日，美国环保署颁布了清洁空气汞法案。该法案规定，到2018年，汞的排放水平要在1999年的基础上降低70%。

等离子体处理污染物的原理（[6]Fact sheet,EPA'S Clean Air Mercury Rule.In:EPA US,ed.,2005）是在外加电场作用下，放电产生的大量携能电子轰击污染物分子，使其电离、解离和激发，然后引发一系列复杂的物理和化学反应，使得大分子污染物转变为简单的小分子安全物质，或者使有毒有害物质转变为无毒无害或低毒低害物质，从而使污染物得以降解去除。等离子体烟气净化新技术已被应用于氮氧化物和二氧化硫的净化过程，并取得了良好的效果（[7]张仁熙.等离子体技术在环境保护中的应用(上).上海化工，2000,21:4-5；[8]Yu Qi,Yang Hongmin,Zeng Kesi,et al.Simultaneous removal ofNO and SO₂from dry gas stream using non-thermal plasma[J].Journal of EnvironmentalScience,2007,19(11):1393-137）。吸附剂净化气态污染物是利用其多孔特性将气体混合物中一种或多种气体组分吸附于固体表面，以达到气体分离的目的。活性炭是其中吸附效率最好的吸附材料，因其选择性高，分离效果好，净化效率高，设备简单，操作方便，能分离其他过程难以分离的混合物，可有效分离浓度很低的有害物质，易实现自动控制而被广泛应用于大气污染控制等环保领域。

当前所有的商业化运作的脱硫脱硝工艺均采用两套完全不同的设备分别处理硫氧化物和氮氧化物，设备庞大，无论是前期投资还是后期的运行成本均高昂。同时，在美国，单独实施脱汞功能的设备正在相关电厂进行示范性测试。由于各种不同功能的设备体积庞大，设施繁多，占地面积大，能耗高居不下。因此如何减少净化设备的数量，降低能耗成为当前大气污染控制领域新兴的研究热点。文献中（[10]Juyoung Jeong,Jongsoo Juring.Removal of gaseous elemental mercury by dielectric barrierdischarge[J].Chemosphere68(2007)2007-2010；[11]林文峰，张斌，侯文慧，周强，杨宏旻.低温等离子体促进烟气中单质汞氧化的特性分析[J].中国电机工程学报，2010,30(2)；[12]杜伯学，刘弘景，王克峰，王新辉.介质阻挡放电产生低温等离子体除去NOx的实验研究[J].高压电技术，2009,35(9)；[13]白希尧,依成武,张芝涛,等.低温常压等离子体分解有害气体SO2和NO[J].环境科学,1993,14(1):37-40）使用的等离子体多数只单独用于氮氧化物、硫氧化物或者Hg0的氧化，没有三者同时在等离子体反应器中氧化效率的报道，以及氧化后的产物也没有进行处理。因此，建立一个稳定可靠可用于研究模拟烟气条件下，等离子体氧化-活性炭吸附同时脱硫脱硝除汞的实验系统十分必要。

发明内容

本发明的目的在于提供稳定可靠、方便实用的一种同时脱硫脱硝除汞装置。

本发明设有模拟烟气发生单元、等离子体氧化单元、活性炭吸附单元和烟气组分检测单元；模拟烟气发生单元、等离子体氧化单元、活性炭吸附单元和烟气组分检测单元的管路之间通过旋转阀门和Y型三通接头连接；

所述模拟燃煤烟气发生单元设有N₂气瓶、CO₂气瓶、SO₂气瓶、O₂气瓶、NO₂气瓶、HCl气瓶、NO气瓶、质量流量控制器、Hg⁰渗透管和恒温水浴锅；所述恒温水浴锅内设有洗气瓶，洗气瓶内装有水，所述Hg⁰渗透管设在恒温水浴锅内并产生气相汞；N₂气瓶、CO₂气瓶、SO₂气瓶、O₂气瓶、NO₂气瓶、HCl气瓶、NO气瓶分别提供相应的气体，N₂气瓶、CO₂气瓶、SO₂气瓶、O₂气瓶、NO₂气瓶、HCl气瓶、NO气瓶分别与质量流量控制器连接；

所述等离子体氧化单元设有高压电源和等离子体反应器；所述等离子体反应器设有石英双介质层，所述石英双介质层包括内层石英管和外层石英管，内层石英管套在不锈钢棒上作为内介质；外层石英管上下两端均设有螺纹段，与聚四氟乙烯固定件连接作为外介质，外层石英管下端设有进气口，外层石英管上端设有出气口；所述高压电源与等离子体反应器电连接；

所述活性炭吸附单元设有恒温烘箱和吸附反应器；所述吸附反应器分上下两部分，上半部分插入下半部分，吸附反应器的主体下端镶嵌有砂芯片，吸附反应器置于恒温烘箱内，所述恒温烘箱的顶部开有两个圆孔，用于通有模拟燃煤烟气的管路进出；经过等离子氧化单元氧化后的烟气经过两个Y型三通拆分为三条管路，通过控制旋转阀门可以旋转使气流从三条管路中通过；三条管路的去向分别为连接烟气分析仪、通过碱液吸收瓶和干燥瓶后与Hg⁰检测仪相连、进入活性炭吸附系统和碱液吸收瓶；

所述检测单元设有烟气分析单元和Hg⁰分析单元，烟气分析单元与Hg⁰分析单元通过两个Y型三通与等离子体氧化单元和活性炭吸附单元连接；Hg⁰分析单元设有含NaOH溶液的吸收瓶、干燥瓶和用于连续测定汞浓度的Jerome测汞仪，所述吸收瓶中的NaOH的作用均为吸收酸性气体和Hg²⁺。

所述吸附反应器可采用玻璃材质吸附反应器，吸附反应器的上半部分和下半部分的接口处采用磨砂方式；所述吸附反应器的主体内径可为30mm，入口和出口内径可为8mm，入口和出口与反应器主体之间的半径角可为30°；所述吸附反应器的主体下端17mm处镶嵌有3#砂芯片；所述恒温烘箱内的温度可为140℃；所述烟气分析仪用于检测等离子体对NO和SO₂的氧化效率；所述汞分析仪用于检测等离子体对Hg⁰的氧化；所述进入活性炭吸附系统和碱液吸收瓶的作用在于脱除氮氧化物、硫氧化物和Hg⁰，最后通过烟气分析仪和测汞仪对尾气的分析来分析脱除率。

所述烟气分析单元可采用KANE950烟气分析仪，该分析仪可快速检测烟气中的O₂、NO、NO₂和SO₂。

本发明的有益效果是：能够方便、快速、稳定的产生全组分模拟燃煤烟气，通过旋转阀门与烟气分析仪和汞分析仪的配合，可以检测等离子体对NO、SO₂和Hg⁰的氧化效率，并且通过烟气分析仪和汞分析仪，可以实时监测烟气中的氮氧化物、硫氧化物和Hg⁰的浓度、管路设计方便实用，耐酸、耐高温（<200℃）。经实验验证，当管路中通过1L/min模拟烟气时，等离子体反应器放电情况良好，并且在1L/min N₂与20μg/m³Hg⁰或500ppm NO或SO₂时，反应系统进出口浓度相同，即：实验系统稳定可靠，可用于等离子体氧化-活性炭吸附联用对燃煤烟气脱硫脱销除汞的研究。

一种同时脱硫脱硝除汞装置的优点是不需要加入任何的催化剂，仅在一定电压下即可把Hg⁰、NO和SO₂氧化为Hg²⁺、NO₂和SO₃。相比于单质汞，活性炭对于氧化态汞有着更大的饱和吸附容量，而该系统对于单质汞的氧化作用，可以大大增加活性炭的使用寿命。另外经过等离子体氧化，烟气中的NO和SO₂氧化为易被水溶液吸收的NO₂和SO₃，经过碱液吸收，产物可回收利用，而经过活性炭吸附汞，可以避免碱液中重金属的处理。

研究表明，该系统可产生恒定浓度的全组分模拟烟气，能有效调节等离子体氧化的参数（电压、频率），同时可提供合适的吸附反应条件（温度、烟气组分浓度），可实时监测反应器进、出口的氮氧化物、硫氧化物和Hg⁰浓度，可以检测等离子体对NO、SO₂和Hg⁰的氧化和脱除效率，因此可以用于等离子体氧化-活性炭吸附联用系统对烟气中氮氧化物、硫氧化物和Hg⁰的去除研究。

附图说明

图1为本发明实施例的结构示意图。

图2为本发明实施例的吸附反应器示意图。

具体实施方式

以下实施例将结合附图对本发明作进一步的说明。

1.按图1将各部件组装成为完整的一种同时脱硫脱硝除汞装置。管路主体均采用超低吸附性的D8×6聚四氟乙烯管。任意两接口之间可灵活地用一小段D6×9硅胶管连接。尾气处理装置为粉末活性炭吸附柱8，其作用是吸附气流中存在的微量气相汞。该系统中用到的溶液均为现用现配。

2.以产生含典型浓度组分的模拟燃煤烟气（140℃下20μg/m³Hg⁰、13%CO₂、9%水分、500ppm NO、5%O₂、500ppm SO₂、20ppm HCl，以及20ppm NO₂）为例，操作如下：

2.1将图1所示质量流量计11的流量分别设置为（单位：mL/min）N₂1#250、CO₂130、O₂50、SO₂100、NO₂40、HCl40、NO100、N₂2#90，以及N₂3#200。

2.2开启水浴锅13，开通N₂2#（即开通图1中N₂2#对应的气瓶和质量流量计11及阀门），使汞渗透管10处于恒定的水浴温度60℃（每支汞渗透管10都要经过实验确定其合适的水浴温度，此处以本实验所用的汞渗透管为例），在恒定流量0.2L/min载气吹脱下稳定2h获得稳定的汞释放率。开启水蒸气发生器12，使其产生稳定浓度的含水N₂，此时开启旋转阀门1，关闭旋转阀门2，气体经路线1进入活性炭吸附柱8。开启恒温烘箱16，设定其温度为140℃，并使其稳定。

2.3开通其它模拟燃煤烟气的气瓶和质量流量控制器，此时关闭旋转阀门1，4，5和7，开启旋转阀门2，3和6，开启烟气分析仪17，气体经过路线2和3，可以检测系统中烟气组分的浓度（NO和SO₂）；然后关闭旋转阀门3和6，开启旋转阀门4和7，可通过汞分析仪20检测系统中Hg⁰的浓度，若所测Hg⁰浓度为20μg/m³，则可进行下一步。反之，则继续步骤2.2，使汞管稳定。

2.4打开高压电源9，缓慢调节电压至6kV（由于反应器的设计尺寸、结构和材料有所不同，达到均匀放电的电压也不尽相同，此处以本实验设计的介质阻挡放电等离子体反应器14为例），重复2.3操作步骤使得气体分别进入路线3和路线4来检测等离子体氧化后烟气组分浓度（NO和SO₂）和Hg⁰浓度。通过与步骤2.3中所测结果进行对比，即可得到等离子体反应器14对于NO、SO₂和Hg⁰的氧化效率。

2.5关闭旋转阀门1，3和4，开启旋转阀门2和5，模拟烟气经过等离子体氧化后，通过路线5进入吸附反应器15（参见图2）中，吸附反应器15中的吸附剂开始预模拟燃煤烟气开始发生反应，关闭阀门7，开启阀门6可通过烟气分析仪17分析系统出口的模拟烟气组分；关闭旋转阀门6开启旋转阀门7，模拟烟气经过NaOH碱液吸收酸性气体和干燥瓶18去除水蒸气，通过汞分析仪20分析系统出口的模拟烟气中Hg⁰的浓度，就可以得出系统脱硫脱硝除汞的效率。

本发明设有模拟烟气发生单元、等离子体氧化单元、活性炭吸附单元和烟气组分检测单元。各单元的管路主体采用耐酸性气体、低吸附性的D8×6聚四氟乙烯软管或D9×6硅胶管；管路连接处采用石英玻璃或聚丙烯塑料材质的阀门及Y型三通接头。模拟燃煤烟气的总流量为1L/min。

模拟燃煤烟气发生单元主要由N₂（99.999%）、CO₂（99.99%）、SO₂（5000ppm）、O₂（99.99%）、NO₂（500ppm）、HCl（500ppm）、NO（5000ppm）气瓶，质量流量计（100mL/min，200mL/min，500mL/min或1000mL/min），Hg⁰渗透管（HE-SR2.4cm，VICI））以及恒温水浴锅等组成。水分由放置于恒温水浴锅内的装有一定质量水的洗气瓶产生，洗气瓶内通有恒定流量的吹脱载气N₂。气相汞由放置于恒温水浴锅内的内径15mm，总长约380mm的石英U型管中的汞渗透管产生。U型管配有磨砂空心带孔石英玻璃塞。U型管入口一侧盛有约25g经10%硝酸溶液浸泡4h的D6玻璃珠。玻璃珠的作用是预热、稳定吹脱载气；U型管出口一侧悬挂放置汞渗透管。其余烟气组分气体由各气瓶流出。所有气体的流量均由质量流量计精确控制。所有汞蒸气及水蒸气经过的管路均被缠绕有加热带，使管壁温度保持在140℃左右；加热带由电热偶（±1℃）控温。当各组分气体的流量恒定、且水浴温度恒定时，该单元可产生含有恒定汞浓度的模拟燃煤烟气。确定各烟气组分进入管路的顺序的原则为：性质越稳定、流量越大的烟气组分首先进入管路（即：进入反应单元之前经过的管路更短）。按此原则确定的顺序依次为：N₂、CO₂、O₂、SO₂、NO₂、HCl、NO、水分，以及Hg⁰。

等离子体氧化单元主要由高压电源和等离子体反应器组成。反应器采用同轴圆柱双介质结构。由放电电极（内电极）、地电极（外电极）和电介质组成。石英外管内径21mm，壁厚2.5mm，长度400mm作为反应器的外介质层，石英管外壁裹以铜网，与交流高压电源的接地段相连，石英管中心为一直径10mm，长度420mm的不锈钢棒，作为内电极，与交流高压电源的高压输出端相连，内径11mm，壁厚0.5mm，长度400mm的石英管套在不锈钢棒上作为内介质层。整个放电区长度为400mm。石英外管距上下端20mm处为进气口和出气口，模拟烟气由进气口进入等离子体反应器，在高压条件下氧化后由出气口排出进入活性炭吸附单元。

活性炭吸附单元主要由恒温烘箱（±0.1℃）、吸附反应器（可根据需要配置）组成。吸附反应器（参见图2）分上下两部分，上半部分插入下半部分，接口处22采用磨砂方式。吸附反应器主体内径为30mm，入口和出口内径为8mm，入口和出口与反应器主体（内填充有活性炭24）之间的变径角约为30°，3#砂芯片23位于反应器主体下端以上约17mm处。烘箱顶部开有两个直径2cm的圆孔，以方便通有模拟燃煤烟气的管路进出。经过等离子氧化单元氧化后的烟气经过两个Y型三通拆分为三条管路，通过控制旋转阀门可以旋转使气流从三条管路中通过。三条管路的去向分别为连接烟气分析仪，来检测等离子体对NO和SO₂的氧化效率；通过吸收瓶19和干燥瓶18后与汞分析仪20相连，检测等离子体对Hg⁰的氧化；进入活性炭吸附系统和碱液吸收瓶以脱除氮氧化物、硫氧化物和Hg⁰，最后通过烟气分析仪和汞分析仪对尾气的分析来分析脱除率。在图1中，标记21为电脑。

检测单元由烟气分析单元和Hg⁰分析单元组成。烟气分析单元为KANE950烟气分析仪，该分析仪可快速检测烟气中的O₂、NO、NO₂和SO₂。Hg⁰分析单元主要由一个250ml的含200ml20%NaOH溶液的吸收瓶，一个冰浴冷凝瓶，以及可快速、连续测定汞浓度的Jerome测汞仪组成。吸收瓶中的NaOH的作用均为吸收酸性气体和Hg²⁺。干燥瓶由浸没在冰块中的250ml空的洗气瓶构成，其作用是冷凝气流中的水分以保护汞分析仪。

Claims (8)

1.一种同时脱硫脱硝除汞装置，其特征在于设有模拟烟气发生单元、等离子体氧化单元、活性炭吸附单元和烟气组分检测单元；模拟烟气发生单元、等离子体氧化单元、活性炭吸附单元和烟气组分检测单元的管路之间通过旋转阀门和Y型三通接头连接；

所述模拟燃煤烟气发生单元设有N₂气瓶、CO₂气瓶、SO₂气瓶、O₂气瓶、NO₂气瓶、HCl气瓶、NO气瓶、质量流量控制器、Hg⁰渗透管和恒温水浴锅；所述恒温水浴锅内设有洗气瓶，洗气瓶内装有水，所述Hg⁰渗透管设在恒温水浴锅内并产生气相汞；N₂气瓶、CO₂气瓶、SO₂气瓶、O₂气瓶、NO₂气瓶、HCl气瓶、NO气瓶分别提供相应的气体，N₂气瓶、CO₂气瓶、SO₂气瓶、O₂气瓶、NO₂气瓶、HCl气瓶、NO气瓶分别与质量流量控制器连接；

所述等离子体氧化单元设有高压电源和等离子体反应器；所述等离子体反应器设有石英双介质层，所述石英双介质层包括内层石英管和外层石英管，内层石英管套在不锈钢棒上作为内介质；外层石英管上下两端均设有螺纹段，与聚四氟乙烯固定件连接作为外介质，外层石英管下端设有进气口，外层石英管上端设有出气口；所述高压电源与等离子体反应器电连接；

所述活性炭吸附单元设有恒温烘箱和吸附反应器；所述吸附反应器分上下两部分，上半部分插入下半部分，吸附反应器的主体下端镶嵌有砂芯片，吸附反应器置于恒温烘箱内，所述恒温烘箱的顶部开有两个圆孔，用于通有模拟燃煤烟气的管路进出；经过等离子氧化单元氧化后的烟气经过两个Y型三通拆分为三条管路，通过控制旋转阀门可以旋转使气流从三条管路中通过；三条管路分别与烟气分析仪相连，通过碱液吸收瓶和干燥瓶后与Hg⁰检测仪相连，与吸附反应器相连；

所述检测单元设有烟气分析单元和Hg⁰分析单元，烟气分析单元与Hg⁰分析单元通过两个Y型三通与等离子体氧化单元和活性炭吸附单元连接；Hg⁰分析单元设有含NaOH溶液的吸收瓶、干燥瓶和用于连续测定汞浓度的Jerome测汞仪，所述吸收瓶中的NaOH的作用均为吸收酸性气体和Hg²⁺。

2.如权利要求1所述一种同时脱硫脱硝除汞装置，其特征在于所述吸附反应器采用玻璃材质吸附反应器。

3.如权利要求1或2所述一种同时脱硫脱硝除汞装置，其特征在于吸附反应器的上半部分和下半部分的接口处采用磨砂方式。

4.如权利要求1或2所述一种同时脱硫脱硝除汞装置，其特征在于所述吸附反应器的主体内径为30mm，入口和出口内径为8mm。

5.如权利要求4所述一种同时脱硫脱硝除汞装置，其特征在于所述入口和出口与反应器主体之间的半径角为30°。

6.如权利要求1或2所述一种同时脱硫脱硝除汞装置，其特征在于所述吸附反应器的主体下端17mm处镶嵌有3#砂芯片。

7.如权利要求1所述一种同时脱硫脱硝除汞装置，其特征在于所述恒温烘箱内的温度为140℃。

8.如权利要求1所述一种同时脱硫脱硝除汞装置，其特征在于所述烟气分析单元采用KANE 950烟气分析仪。